CN112034786A - 基于表面粗糙度控制的整体环型机匣数控加工优化方法 - Google Patents

基于表面粗糙度控制的整体环型机匣数控加工优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于表面粗糙度控制的整体环型机匣数控加工优化方法。首先构建机匣零件的仿真模型，并编写初始数控加工程序，然后分别进行几何仿真和物理仿真，根据切削力的仿真分析结果，判断数控加工过程的稳定性，对于加工过程不稳定的连续加工路径，根据表面粗糙度指标进行路径的分段处理，并对路径分段后的数控加工程序再次进行切削力的仿真分析，直到得到稳定加工过程的数控加工程序；本发明有利于缩短数控加工程序优化周期，提高零件加工质量，解决了数控加工过程中切削力波动问题，具有较强的通用性和实用性。

Description

基于表面粗糙度控制的整体环型机匣数控加工优化方法
技术领域
本发明涉及航空航天领域数控加工技术领域，具体涉及一种基于表面粗糙度控制的整体环型机匣数控加工优化方法。
背景技术
航空发动机机匣是发动机中的壳体、框架类零件，是飞机发动机的重要承力部件，主要材料为高温合金和钛合金，加工难度大，精度要求高，传统的数控加工程序编制大多依赖于技术人员的经验，仅从几何层面，通过减小步距，优化刀具轨迹的方式实现数控加工程序的优化，未考虑到切削力的变化，加工效率较低、加工过程稳定性较差。
数控加工程序优化是保证加工过程平稳、提高加工效率的有效途径之一，以往的优化方法大多针对整个程序进行优化，没有考虑到不同加工部位、表面粗糙度指标等具体需求，导致优化效果不佳，不能够满足航空发动机零件高效优质交付的需求。到目前为止，尚没有公开的基于表面粗糙度控制的整体环型机匣零件数控加工优化方法。
发明内容
针对现有技术的不足，为解决整体环型机匣零件加工过程稳定性难以控制、加工效率低、加工精度难以保证等难题，本发明提出一种基于表面粗糙度控制的整体环型机匣数控加工优化方法，基于零件表面粗糙度指标要求，以及切削力均匀分布要求，通过数控加工过程分段处理，实现加工参数的合理优化，有效提高零件的加工效率和加工质量。
为实现上述技术效果，本发明提出了一种基于表面粗糙度控制的整体环型机匣数控加工优化方法，包括以下步骤：
步骤1：根据待加工的整体环型机匣零件，编写初始数控加工程序，并构建待加工整体环型机匣零件的仿真模型；
步骤2：将待加工整体环型机匣零件的仿真模型，以及编写的初始数控加工程序导入几何仿真软件中，对编写的初始数控加工程序进行几何仿真分析，根据仿真生成的仿真加工模型，检查刀具轨迹有无过切、欠切、干涉、碰撞现象，如果没有出现过切、欠切、干涉、碰撞现象，则直接采用初始数控加工程序执行步骤4；
步骤3：如果步骤2生成的仿真加工模型中存在过切、欠切、干涉、碰撞中的任意一种现象，则需要对初始数控加工程序中的加工策略和加工参数进行调整，直到仿真生成的仿真加工模型中不存在刀具轨迹的过切、欠切、干涉、碰撞现象；
步骤4：将不存在过切、欠切、干涉、碰撞现象的数控加工程序导入到物理仿真软件中，进行切削力的仿真分析，得到仿真加工过程中任意时刻的切削力数值，所述切削力包括仿真加工过程中任意时刻t所产生的切向力Fr(t)、径向力Fy(t)、轴向力Fx(t)；
步骤5：根据各向切削力平均值的上、下限浮动百分比，计算各切削力的上、下限约束值，包括：
步骤5.1：计算各向切削力的平均值：
Figure BDA0002681908870000021
式中，
Figure BDA0002681908870000022
表示切向力平均值，
Figure BDA0002681908870000023
表示径向力平均值，
Figure BDA0002681908870000024
表示轴向力平均值，n表示仿真加工的总时长；
步骤5.2：计算各向切削力的上、下限值：
Figure BDA0002681908870000025
式中，Frl max表示切向力的上限值，Frl min表示切向力的下限值，Fyl max表示径向力的上限值，Fyl min表示径向力的下限值，Fxl max表示轴向力的上限值，Fxl min表示轴向力的下限值，δ表示各向切削力平均值的上、下限浮动百分比；
步骤6：判断数控加工过程的稳定性，如果数控加工过程稳定，则直接执行步骤8；
步骤7：如果数控加工过程不稳定，则需要对零件表面粗糙度指标相同的的连续加工路径进行分段，并将连续加工路径分段后的数控加工程序导入物理仿真软件中，执行步骤4；
步骤8：输出加工过程稳定的数控加工程序以及切削参数，然后输入给数控机床，对待加工的整体环型机匣零件进行数控加工。
所述步骤6中判断加工过程稳定性，包括：
步骤6.1：进行切削力的仿真分析时，统计Fr(t)≤Frl min或Fr(t)≥Frl max的切向力个数mr，计算超出上、下限范围的切向力所占比例γr；统计Fy(t)≤Fyl min或Fy(t)≥Fyl max的径向力个数my，计算超出上、下限范围的径向力所占比例γy；统计Fx(t)≤Fxl min或Fx(t)≥Fxl max的轴向力个数mx，计算超出上、下限范围的轴向力所占比例γx；
Figure BDA0002681908870000026
步骤6.2：如果
Figure BDA0002681908870000031
且
Figure BDA0002681908870000032
且
Figure BDA0002681908870000033
则判定采用数控加工程序加工时的加工过程稳定，如果
Figure BDA0002681908870000034
或
Figure BDA0002681908870000035
或
Figure BDA0002681908870000036
则判定加工过程不稳定，其中
Figure BDA0002681908870000037
表示仿真加工过程中切削力超出上、下限范围的阈值。
所述步骤7中对零件表面粗糙度指标相同的连续加工路径进行分段，包括：
步骤7.1：利用公式(4)计算出表面粗糙度指标要求相同的连续加工路径总长度需要划分的段数N，
Figure BDA0002681908870000038
式中，L表示表面粗糙度指标要求相同的连续加工总长度，Ra表示待加工表面粗糙度指标要求，
Figure BDA0002681908870000039
表示向上取整；
步骤7.2：利用公式(5)计算分段后的每段加工路径的长度l；
Figure BDA00026819088700000310
式中，
Figure BDA00026819088700000311
表示向下取整；
步骤7.3：根据每段加工路径的长度l，对表面粗糙度指标相同的加工路径进行分段，然后对每段加工路径分别编写数控加工程序。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种基于表面粗糙度控制的整体环型机匣数控加工优化方法，有利于缩短数控加工程序优化周期，提高零件加工质量，解决数控加工过程中切削力波动问题，加工试验结果表明：零件加工质量较高，加工过程中切削力变化平稳，多次测量结果趋同，加工时间缩短；本发明可应用于各种类型零件的数控加工程序优化中，具有较强的通用性和实用性。
附图说明
图1为本发明中基于表面粗糙度控制的整体环型机匣数控加工优化方法流程图；
图2为本发明中机匣零件的仿真模型图；
图3为本发明中机匣零件内腔的加工轨迹图和物理仿真分析中的切削力分布图，其中图(a)表示机匣零件内腔的加工轨迹图，图(b)表示加工机匣零件内腔时对应的径向切削力和时间的关系曲线图；
图4为本发明中切削力优化参数设置示意图；
图5为本发明中加工机匣零件内腔时加工路径分段前后的切削力分布对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。
如图1所示，一种基于表面粗糙度控制的整体环型机匣数控加工优化方法，包括如下步骤：
步骤1：根据待加工的整体环型机匣零件，采用UG编写初始数控加工程序，并构建待加工整体环型机匣零件的仿真模型；
步骤2：将待加工整体环型机匣零件的仿真模型，以及编写的初始数控加工程序导入几何仿真软件Vericut中，输入机床控制系统信息，模拟真实加工过程，对编写的初始数控加工程序进行几何仿真分析，根据仿真生成的仿真加工模型，检查刀具轨迹有无过切、欠切、干涉、碰撞现象，如果没有出现过切、欠切、干涉、碰撞现象，则直接采用初始数控加工程序执行步骤4；
步骤3：如果步骤2生成的仿真加工模型中存在过切、欠切、干涉、碰撞中的任意一种现象，则需要对初始数控加工程序中的加工策略和加工参数进行调整，直到仿真生成的仿真加工模型中不存在刀具轨迹的过切、欠切、干涉、碰撞现象；
步骤4：将不存在过切、欠切、干涉、碰撞现象的数控加工程序导入到物理仿真软件AdvantEdge Production Module中，进行切削力的仿真分析，通过模拟材料去除情况，得到仿真加工过程中任意时刻的切削力数值，所述切削力包括仿真加工过程中任意时刻t所产生的切向力Fr(t)、径向力Fy(t)、轴向力Fx(t)；
步骤5：根据各向切削力平均值的上、下限浮动百分比，计算各切削力的上、下限约束值，包括：
步骤5.1：计算各向切削力的平均值：
Figure BDA0002681908870000041
式中，
Figure BDA0002681908870000042
表示切向力平均值，
Figure BDA0002681908870000043
表示径向力平均值，
Figure BDA0002681908870000044
表示轴向力平均值，n表示仿真加工的总时长；
步骤5.2：计算各向切削力的上、下限值：
Figure BDA0002681908870000045
式中，Frl max表示切向力的上限值，Frl min表示切向力的下限值，Fyl max表示径向力的上限值，Fyl min表示径向力的下限值，Fxl max表示轴向力的上限值，Fxl min表示轴向力的下限值，δ表示各向切削力平均值的上、下限浮动百分比，本实施方式中δ取值为20％；
步骤6：判断数控加工过程的稳定性，如果数控加工过程稳定，则直接执行步骤8；
其中判断加工过程稳定性，包括：
步骤6.1：进行切削力的仿真分析时，统计Fr(t)≤Frl min或Fr(t)≥Frl max的切向力个数mr，计算超出上、下限范围的切向力所占比例γr；统计Fy(t)≤Fyl min或Fy(t)≥Fyl max的径向力个数my，计算超出上、下限范围的径向力所占比例γy；统计Fx(t)≤Fxl min或Fx(t)≥Fxl max的轴向力个数mx，计算超出上、下限范围的轴向力所占比例γx；
Figure BDA0002681908870000051
步骤6.2：如果
Figure BDA0002681908870000052
且
Figure BDA0002681908870000053
且
Figure BDA0002681908870000054
则判定采用数控加工程序加工时的加工过程稳定，如果
Figure BDA0002681908870000055
或
Figure BDA0002681908870000056
或
Figure BDA0002681908870000057
则加工过程不稳定，其中
Figure BDA0002681908870000058
表示仿真加工过程中切削力超出上、下限范围的阈值，本实施方式中
Figure BDA0002681908870000059
取值为5％。
步骤7：如果数控加工过程不稳定，则需要对零件表面粗糙度指标相同的连续加工路径进行分段，并将连续加工路径分段后的数控加工程序导入物理仿真软件中，执行步骤4；
其中对零件表面粗糙度指标相同的连续加工路径进行分段，包括：
步骤7.1：利用公式(4)计算出表面粗糙度指标要求相同的连续加工路径总长度需要划分的段数N，
Figure BDA00026819088700000510
式中，L表示表面粗糙度指标要求相同的连续加工总长度，Ra表示待加工表面粗糙度指标要求，
Figure BDA00026819088700000511
表示向上取整；
步骤7.2：利用公式(5)计算分段后的每段加工路径的长度l；
Figure BDA00026819088700000512
式中，
Figure BDA00026819088700000513
表示向下取整；
步骤7.3：根据每段加工路径的长度l，对表面粗糙度指标相同的连续加工路径进行分段，然后对每段加工路径分别编写数控加工程序。
步骤8：输出加工过程稳定的数控加工程序以及切削参数，然后输入给数控机床，对待加工的整体环型机匣零件进行数控加工。
机匣零件的仿真模型如图2所示，以加工机匣零件内腔为例，对于机匣零件加工质量影响较大的切削力定义为径向力，其中加工机匣零件内腔时对应的径向切削力和时间的关系曲线如图3中图(b)所示，图(a)表示机匣零件内腔的加工轨迹图；
从图3中图(b)可以看出，最大径向力发生在转角处，最大径向力为-423.137N，径向力波动较大，切削加工过程不稳定，需要对加工内腔的连续加工路径进行分段处理，经计算得，
Figure BDA0002681908870000061
Fyl max＝406.9N，Fyl min＝271.3N；已知该加工区域的表面粗糙度值为Ra3.2，加工总长度为39mm，计算连续加工路径的分段数量：
Figure BDA0002681908870000062
计算分段后的每段加工路径的长度：
Figure BDA0002681908870000063
将加工路径分段后的数控加工程序重新在AdvantEdge Production Module中进行物理仿真分析优化，设定径向切削力Fyl max＝406.9N，Fyl min＝271.3N，在AdvantEdgeProduction Module中设定优化参数如图4所示，分段前后输出的径向力与时间的关系曲线对比图如图5所示，从图5中可以看出，加工路径分段后的切削加工过程平稳，可以用于加工，并输出加工路径分段后对应的数控加工程序以及切削参数，用于实际加工。

Claims (3)

1.一种基于表面粗糙度控制的整体环型机匣数控加工优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据待加工的整体环型机匣零件，编写初始数控加工程序，并构建待加工整体环型机匣零件的仿真模型；
步骤2：将待加工整体环型机匣零件的仿真模型，以及编写的初始数控加工程序导入几何仿真软件中，对编写的初始数控加工程序进行几何仿真分析，根据仿真生成的仿真加工模型，检查刀具轨迹有无过切、欠切、干涉、碰撞现象，如果没有出现过切、欠切、干涉、碰撞现象，则直接采用初始数控加工程序执行步骤4；
步骤3：如果步骤2生成的仿真加工模型中存在过切、欠切、干涉、碰撞中的任意一种现象，则需要对初始数控加工程序中的加工策略和加工参数进行调整，直到仿真生成的仿真加工模型中不存在刀具轨迹的过切、欠切、干涉、碰撞现象；
步骤4：将不存在过切、欠切、干涉、碰撞现象的数控加工程序导入到物理仿真软件中，进行切削力的仿真分析，得到仿真加工过程中任意时刻的切削力数值，所述切削力包括仿真加工过程中任意时刻t所产生的切向力Fr(t)、径向力Fy(t)、轴向力Fx(t)；
步骤5：根据各向切削力平均值的上、下限浮动百分比，计算各切削力的上、下限约束值，包括：
步骤5.1：计算各向切削力的平均值：
Figure FDA0002681908860000011
式中，
Figure FDA0002681908860000012
表示切向力平均值，
Figure FDA0002681908860000013
表示径向力平均值，
Figure FDA0002681908860000014
表示轴向力平均值，n表示仿真加工的总时长；
步骤5.2：计算各向切削力的上、下限值：
Figure FDA0002681908860000015
式中，Frl max表示切向力的上限值，Frl min表示切向力的下限值，Fyl max表示径向力的上限值，Fyl min表示径向力的下限值，Fxl max表示轴向力的上限值，Fxl min表示轴向力的下限值，δ表示各向切削力平均值的上、下限浮动百分比；
步骤6：判断数控加工过程的稳定性，如果数控加工过程稳定，则直接执行步骤8；
步骤7：如果数控加工过程不稳定，则需要对零件表面粗糙度指标相同的连续加工路径进行分段，并将连续加工路径分段后的数控加工程序导入物理仿真软件中，执行步骤4；
步骤8：输出加工过程稳定的数控加工程序以及切削参数，然后输入给数控机床，对待加工的整体环型机匣零件进行数控加工。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面粗糙度控制的整体环型机匣数控加工优化方法，其特征在于，所述步骤6中判断加工过程稳定性，包括：
步骤6.1：进行切削力的仿真分析时，统计Fr(t)≤Frl min或Fr(t)≥Frl max的切向力个数mr，计算超出上、下限范围的切向力所占比例γr；统计Fy(t)≤Fyl min或Fy(t)≥Fyl max的径向力个数my，计算超出上、下限范围的径向力所占比例γy；统计Fx(t)≤Fxl min或Fx(t)≥Fxl max的轴向力个数mx，计算超出上、下限范围的轴向力所占比例γx；
Figure FDA0002681908860000021
步骤6.2：如果
Figure FDA0002681908860000022
且
Figure FDA0002681908860000023
且
Figure FDA0002681908860000024
则判定采用数控加工程序加工时的加工过程稳定，如果
Figure FDA0002681908860000025
或
Figure FDA0002681908860000026
或
Figure FDA0002681908860000027
则判定加工过程不稳定，其中
Figure FDA0002681908860000028
表示仿真加工过程中切削力超出上、下限范围的阈值。
3.根据权利要求1所述的一种基于表面粗糙度控制的整体环型机匣数控加工优化方法，其特征在于，所述步骤7中对零件表面粗糙度指标相同的连续加工路径进行分段，包括：
步骤7.1：利用公式(4)计算出表面粗糙度指标要求相同的连续加工路径总长度需要划分的段数N，
Figure FDA0002681908860000029
式中，L表示表面粗糙度指标要求相同的连续加工总长度，Ra表示待加工表面粗糙度指标要求，
Figure FDA00026819088600000210
表示向上取整；
步骤7.2：利用公式(5)计算分段后的每段加工路径的长度l；
Figure FDA00026819088600000211
式中，
Figure FDA00026819088600000212
表示向下取整；
步骤7.3：根据每段加工路径的长度l，对表面粗糙度指标相同的连续加工路径进行分段，然后对每段加工路径分别编写数控加工程序。
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